5.6. Расчет усилителя мощности при коллекторной и комбинированной модуляции

Для транзисторов (в отличие от ламп) опасны даже кратковремен­ные превышения мгновенных значений напряжения e_К(t) и тока i_K(t) по сравнению с максимально допустимыми. Поэтому при выборе транзистора его номинальная мощность должна соответствовать мощности в максимальном режиме: Р_{1 ном} > Р_{1 max}.

Расчет выполняем в трех режимах: сначала в максимальном, затем в режимах молчания и модуляции. Параметры максимального режима рассчитываем обычным образом для получения колебательной мощности Р_{1 max} = (1 + т) ² Р_{1 мол} /η_ц.с в критическом режиме. При коллекторной модуляции обычно т < 0,7, при комби­нированной т = 1. Поскольку пиковое напряжение на коллекторе не должно превышать максимально допустимого, напряжение Е_{к тах} выбираем из соотношения е_{к max} = Е_{к тах} + U_{к мах} < e_K.Э.дoп. Полагая т = 1, ζ_кр = 0,8...0,9, приближенно получаем

Е_{к тах} < е_{к.э доп} / 2. (5.34)

В режиме молчания (по сравнению с максимальным) напряжение питания Е_{к мол}, и токи I_{к0 мол} , I_{к1 мол} уменьшаются в (1 + т) раз, а мощности Р_{0 мол}, Р_{1 мол} - в (1 + т)² раз.

В режиме модуляции согласно (5.7), (5.8) колебательная мощ­ность увеличивается за счет мощности боковых составляющих:

Р_{1 мод} = Р_{1 мол} (1+m ²/2) (5.35)

Мощность, потребляемая коллекторной цепью, определяется с учетом изменения напряжения E_K(Ωt) и тока I_к0(Ωt) в процессе модуляции:

(5.36)

Здесь первое слагаемое — мощность, потребляемая от источника питания (в процессе модуляции она не меняется), второе — мощ­ность, поставляемая модулятором . Учитывая, что I_Ω =m I_{к0 мол} и U_Ω =mЕ _к.мол получаем:

Р_Ω = Р_{0 мол} m ² /2 (5.37)

и соответственно

Р_{0 мод} = Р_{0 мол} + Р_Ω = Р_{0 мод} (1+m²/2) (5.38)

Средняя мощность, рассеиваемая на коллекторе, равна разности Р_{0 мод} - Р_{0 мол} , или

Р_{рас.мод}= Р_{рас.мол} (1+m ²/2) (5.39)

т.е. увеличивается в том же отношении, что и мощности Р_{0 мод} и Р_{1 мод}. При расчете теплового режима коллектора следует принять т = т_ср = 0,3.. .0,5 и проверить выполнение неравенства Р_{рас мод} < Р_к.доп .

Заметим, что мощность Р_Ω, развиваемая модулятором, сравнима с мощностью цепи питания усилителя высокой частоты (Р_Ω = Р_{0 мол} / 2 при m=1) и, если общий КПД модулятора η_0.м = 0,5, мощности цепей питания модулятора и усилителя становятся равными ( )-Необходимость иметь мощный модулятор — существенный недоста­ток коллекторной и комбинированной модуляции.

5.7. Схемы выходных каскадов при коллекторной и комбинированной модуляции

Для повышения КПД и уменьшения нелинейных искажений модулятор выполняют по двухтактной схеме, работающей с углом отсечки Θ = 90° в ключевом или недонапряженном режиме (ζ, < 0,9ζ_кр). Общий КПД коллекторных цепей усилителя мощности и модулятора при т_ср = 0,3 составляет 50...60 %, т.е. примерно вдвое выше, чем при модуляции смещением. Следовательно, комбинированную модуляцию выгодно применять в выходных каскадах пере­датчиков при повышенных требованиях к линейности модуляцион­ных характеристик.

Выход модулятора обычно делают трансформаторным. Наиболее употребительны два варианта подачи постоянного Е_{к мол} и перемен­ного U_Ω напряжений в цепь коллектора. В варианте 1 напряжение питания Е_к.мол поступает на коллектор через вторичную обмотку трансформатора, где суммируется с переменным напряжением U_Ω. Это так называемая последовательная схема коллекторной модуля­ции (рис. 25, а). Ток I_к0.мол , протекающий по вторичной обмотке трансформатора, вызывает подмагничивание магнитопровода, что при достаточно больших токах приводит к дополнительным нели­нейным искажениям из-за эффекта насыщения.

В варианте 2 — параллельной схеме коллекторной модуляции -вторичная обмотка трансформатора заземляется через блокиро­вочный конденсатор С_6л, а ток I_к0.мол протекает по параллельной ветви через дроссель L_др (рис. 25, б).Таким образом, подмагничива­ние магнитопровода постоянными составляющими токов во вторич­ной обмотке отсутствует, а в первичной обмотке скомпенсировано, поскольку в двухтактной схеме токи по «половинкам» обмоток трансформатора протекают в противоположных направлениях. Это позволяет значительно снизить требования к сечению магнитопро­вода трансформатора, т. е. уменьшить его габаритные размеры, массу,

Рис. 25. Схемы усилителей мощности с коллекторной (a) и анодной (б) амплитуд­ной модуляцией

Рис. 26. Схема подачи питающих и модулирующих напряжений на анод (коллек­тор) АЭ выходного (ВК) и предвыходного (ПК) каскадов при комбинированной модуляции

расход дефицитной меди для обмоток и, следовательно, существенно снизить стоимость трансформатора.

Параллельная схема модуляции обычно применяется в мощных каскадах передатчиков для реализации комбинированной модуляции. Способ получения двух разных по значению синфазных напряжений U_Ω и U_{Ω п} для модуляции на два оконечных каскада передатчика показан на рис. 26. Блокировочные элементы схемы (дроссели, раз­делительные и блокировочные конденсаторы) должны учитываться при расчете частотных искажений в модуляторе.

Контрольные вопросы и задания

1. Поясните связь между временным и спектральным представлениями АМ-колеба­ния. Как определить коэффициент модуляции в первом и втором случаях?

2. В каком режиме по напряженности (и почему?) реализуются модуляция сме­щением, усиление модулированных колебаний, коллекторная и комбиниро­ванная модуляция?

3. Постройте модуляционные характеристики токов I_к1, I_к0 и электронного КПД при модуляции смещением.

4. В усилителе мощности при модуляции смещением реализован критический режим при угле отсечки 180° с параметрами Е_к = 20 В, U_K = 16 В, Р₀ = 10 Вт, Р₁ = 4 Вт. Как изменятся значения напряжений Е_к, U_K, мощностей Р₀, Р₁, и электронного КПД при переходе в критический режим с углом отсечки 120° двумя способами: снижением Е_к при постоянной амплитуде возбуждения U_б; увеличением импульса тока i_K.M до значения i_{к м кр} в исходном режиме (Θ = 180°) при постоянном Е_к?

5. Постройте модуляционные характеристики токов I_к1, I_к0 и электронного КПД при усилении модулированных колебаний для трех случаев: Е_с > Е’, Е_с = Е' кЕ_с< Е'. Объясните эффект углубления модуляции.

6. Постройте диаграмму формирования импульсов коллекторного тока при кол­лекторной модуляции. Поясните, как связана форма модуляционной характе­ристики I_к1(E_к) с зависимостью ζ(Е_К).

7. Что такое колебательные характеристики усилителя мощности? Поясните, как с их помощью построить зависимости I_к1 , I_к0 от Е_к при коллекторной модуляции.

8. Постройте диаграмму формирования импульсов коллекторного тока при комбинированной модуляции. Поясните, каким образом достигается линеаризация модуляционных характеристик I_к1 , I_к0 от Е_к при переходе к комби­нированной модуляции.

9. Сравните энергетические показатели выходного и предвыходного каскадов при коллекторной и комбинированной модуляции.

10. Поясните, за счет какого источника повышается колебательная мощность Р_1мод модуляции смещением, усилении модулированных колебаний, коллекторной и комбинированной модуляции. В каком режиме (максималь­ном, молчания или модуляции) следует оценивать мощность рассеяния па коллекторе?

11. Сравните зависимости коэффициента усиления по мощности от модулирую­щего напряжения для основных видов амплитудной модуляции.

12. Поясните достоинства и недостатки основных видов амплитудной модуляции.

13. Начертите принципиальную схему выходного и предвыходного каскадов передатчика, в котором реализована модуляция смещением с последующим усилением модулированных колебаний. Как выбрать режимы каскадов для получения на выходе 100 %-ной амплитудной модуляции?

14. Приведите принципиальную схему выходного каскада усилителя мощности несущих колебаний и двухтактного модулятора для реализации коллекторной модуляции.

15. Приведите два варианта принципиальной схемы выходного каскада передатчика при комбинированной модуляции с последовательным и параллельным способами подачи постоянного и модулирующего напряжений в цепь коллектора. Чем определяется выбор варианта схемы?